石化企業電機分批再啟動計算的分析與研究

李杰 劉平

1. 中石化海南煉油化工有限公司 海南 儋州 578101

2. 廣東茂化建集團有限公司洋浦分公司 海南 儋州 578101

石化企業內部供配電系統時常出現“晃電”現象，引起“晃電”的典型原因多為電網故障（故障發生-故障清除-電源重合）、變壓器投運及大電機啟動，見圖1。不同類型原因作用于“晃電”的深度和持續時間也各不相同，但都可能會出現接觸器失壓跳停、變頻器低電壓失電等故障，造成現場電動機失速停運。為了解決該項問題，有些企業摸索了以抗晃電模塊為代表的抗晃電技術和以分批再啟動柜為代表的再啟動技術，如圖2，大多基于變壓器容量百分比的工程近似計算。比如，依靠抗晃電技術，以保證在晃電期間仍維持運行的電動機的總容量，應不超過10%配電變容量；對于采用再啟動控制的電動機群，應采用分批再啟動方案，保證每批次的啟動容量不超過20%的配電變容量安全極限。該方式實際應用效果不理想，時常出現再啟動異常、啟動過程電網波動的情況，其根本原因在于技術人員未能深入研究電機啟動過程對實際電網造成的沖擊影響，未有效組織實際電網抗負荷啟動沖擊能力核校及計算。

圖1 典型電壓“晃電”深度與持續時間

圖2 分批再啟動技術壓降

基于此，結合石化新建裝置工程案例，采用電壓、電流鉗制法[1]對電機再啟動計算進行了詳細探討。通過電力系統仿真軟件（Digsilent）進行系統建模及仿真分析，實例計算與仿真結果對比，驗證了電壓、電流鉗制法指導電機分批再啟動計算合理性及可行性。

1 供配電網電機再啟動機理

裝置現場電機再啟動是電機由一個不穩定運行狀態轉化為穩定運行狀態的過程。當電網產生擾動，系統電壓瞬間跌落，受其影響電機機端電壓和轉速開始下滑，電動機電流與轉矩陡增，隨即開始走向振蕩衰減，待電壓恢復后，電動機電流與轉矩又快速陡增，隨即振蕩衰減，經過短時振蕩后從怠速恢復到了運行轉速。

1.1 系統故障造成影響

供配電系統內外部故障都會對電動機供電回路產生影響，不同故障類型和故障切除快慢對旋轉負荷終端設備影響程度各不相同，直接影響電機再啟動處理方法。

（1）故障類型。電力系統故障主要分為斷相（單相、兩相）、短路（相相、相地）故障。前者屬于縱向故障，后者屬于橫向故障，兩者表象的基本特征是電壓下降、電流增加。而直接影響低壓電機跳停的是反映到0.4kV的電壓，若接入到控制回路的220V相電壓（一般為A相或C相）大幅度跌落，將導致控制回路接觸器線圈釋放，主回路接觸器斷開。

（2）故障切除時間。裝置現場感應電機在電壓跌落瞬間，轉子磁鏈不能突變，仍然有電流存在，并感應于轉子產生感應電壓。如果此時電源重新投入，將會造成較大的啟動電流及轉矩，其大小由合閘瞬間感應的電壓大小及相位所決定，而感應電壓大小及相位又由切除故障時間所影響。

1.2 系統大容量設備投切造成影響

石化企業供電主網結構經改造或升級后較為完善合理，供電系統容量大，大容量電機驅動開始逐漸替代透平驅動，多為全壓直啟設計。電機定子繞組通電瞬間，相對靜止的轉子繞組，定子產生的旋轉磁場將以最大的切割速度切割轉子繞組，轉子繞組中產生感應電勢及感應電流。定子自然增大電流激發抵消或補償轉子引起磁通變化，為額定電流的5～8 倍。同時大電機啟動時間較長，持續時間基本在15s以上，降低電機群起外部條件。

2 電網抗負荷啟動沖擊的能力核校及計算依據

電網抗負荷啟動沖擊核校應結合工藝需求和母線電壓恢復條件，對參與再啟動的電機進行分組、分批及分期計算。計算應按不利啟動的苛刻條件進行分析，但不能過度苛刻，避免分批再啟動技術不能有效發揮其作用。

2.1 電機分批再起采用電壓、電流鉗制法計算

（1）電流鉗制—感應電機怠速群起或跳停再起的非周期沖擊電流應躲過電源側相關間隔繼電保護誤動作，避免誤動，擴大事故。

（2）電壓鉗制—保證電動機所在母線電壓與機端電壓水平，避免電機群起再起后電機機端電壓顯著下降，導致電機最大轉矩低于負載的阻力轉矩，啟動失敗。

（3）容量鉗制—上級電網容量限制，可以支持多大的啟動容量，保證配電變壓器、電源電纜線路等的絕緣與熱穩定。

2.2 電機分批再起外部條件簡化及等效策略

（1）控制回路安裝抗晃電模塊的電機按“0”批次啟動，即不參與電機分批再起，電壓暫降過程電機為怠速運行，不失電。

（2）對于變頻驅動電機，變頻器暫降深度，隨著頻率降低，耐受電壓暫降深度增加；暫降拐點時間與負載率相關，負載輕暫降時間長，負載重暫降時間短[2]。變頻器低頻率低負載率工況，可以通過設置變頻器參數來完成“0”批次設定，比如通過設定故障自復位模式、更改掉電停車類型、修改欠壓低限值或降低欠壓故障等級等方式，盡量長時間維持直流母線電壓，保證變頻器能躲過電壓暫降時限，自復位平滑自啟。高頻率重負載工況，按電壓恢復再啟動方式進行后續批次設定，不管某種方式，變頻拖動電機的啟動電流遠小于工頻電機啟動電流。

（3）再啟動需求調研。

①結合生產工藝部門實際需求，明確哪些負荷需要參加分批啟動，并按1、2、3…列出負荷重要性排名，以某公司重整裝置為例，詳見表1。

表1 某公司重整裝置電機供電可靠性要求排名

②結合供電系統配置和運行方式，優化繼電保護、自動裝置參數，以支持分批再啟動技術充分應用。石化企業35kV及以下電力網一般為單母分段接線，分列運行。中壓配置快切裝置，低壓配備自投，為減小外部故障對系統影響，快切將實現保護起和失壓起兩種方式，且失壓方式下，快切和備自投裝置做了時差配合。一旦上級快切未成功，備自投將失壓段切換到正常段，失壓段未跳停電機將會隨切換一同群起。此時正常段變壓器容量大小，分期再起時間設定及進線開關過流保護值應納入群起電機影響。系統配有完善的主、后（近后、遠后）備保護，最大程度快切切除故障，若后備保護啟動會延緩電壓恢復，系統連接的怠速電機會一同群起。

（4）計算依據。根據《通用用電設備配電設計規范規范》GB50055—2011要求，配電母線上接有照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，電動機不頻繁啟動時，不宜低于額定電壓的85%[3]。由于無法預估每一次電壓暫降時電動機跳閘數量，則按照較苛刻條件—即全所或母線段無跳閘電動機工況考慮，在選用分批再啟動技術作為防晃電措施的前提下，將電動機不斷電群起時0.4kV母線低壓降的考核指標及后續再起批次低壓降按85%Un校核。

根據《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》，計算電動機啟動時母線電壓。

電動機額定啟動容量：

式中：SstM代表電機啟動容量，MVA；SrM代表電機額定容量，MVA；Kst代表電機啟動電流倍數，高效能電機一般按8～12考慮。

根據DL-T5153《火力發電廠廠用電設計技術規定》[4]，快速切換（切換總時間小于0.8s）時電機啟動倍數Kst取2.5，變頻驅動電機啟動倍數Kst取2.5，慢速切換時（切換總時間大于0.8s）電機啟動倍數Kst取5。

啟動回路的額定輸入容量：

式中：Sst代表啟動回路的額定輸入容量，MVA；SstM代表電機啟動容量，MVA；Xl代表線路電抗，Ω；Uav代表系統平均電壓，kV。

啟動過程中母線電壓：

式中：ust%代表母線電壓壓降百分數，無量綱；us代表電源母線電壓相對值，取1.05；Skm代表母線短路容量，MVA；Qfh代表預接無功負荷，Mvar；Sst代表啟動回路的額定輸入容量，MVA。

為簡化分析，電機饋出電纜忽略不計，啟動回路的額定輸入容量等于電動機額定啟動容量，啟動前6kV母線電壓為1.05p.u。0.4kV“0”批次啟動母線電壓設定以中壓電壓降為參考，“1” 批次啟動母線電壓設定標準為0.9p.u ，“2”、“3”批次啟動母線電壓設定標準為0.95p.u；中壓功率因數按0.85核準。

3 計算實例

以某公司重整裝置為列，采用電壓、電流鉗制法對電機分批再啟動進行計算。

3.1 基礎數據

（1）通過Digsilent建模，核算重整裝置變電所中低壓側系統短路容量及6kV、 0.4kV各進線開關保護定值，如表2、表3。

表2 高低壓母線短路容量

表3 繼電保護定值參數

（2）重整裝置系統參數，變電所設35/6 20000kVA變壓器2臺，6kV母線Ⅰ母和Ⅱ母單母線分段。變電所設8段0.4kV母線，其中Ⅰ、Ⅱ母線變壓器容量2×1250kVA，Ⅲ、Ⅳ母線變壓器2×2000kVA，Ⅴ、Ⅵ母線變壓器容量2x1600kVA，Ⅶ、Ⅷ母線變壓器2×2000kVA。Ⅰ、Ⅱ，Ⅲ、Ⅳ，Ⅴ、Ⅵ，Ⅶ、Ⅷ母線各為單母線分段，如圖3。

圖3 重整裝置變電所高低壓負荷示意圖

3.2 壓降計算（以I 段系統為例）

仿真設置：1s線路發生三相故障；1.35s進線開關跳閘，故障切除，6kV快切動作，1.4s分段開關合閘，低壓備自投未動作，低壓電機除“0”批次未跳停外，其它電機均跳停，跳停電機按2.35s 1批次，3.35s 2批次，4.35s 3批次啟動。

（1）高壓母線。

再啟動容量SstM=Kst×SrM，Kst快速切換取2.5，SrM電動機總的額定功率/功率因數。

I段啟動容量：SstM= Kst×SrM=2.5×4.64=11.6（MVA）。

I段母線壓降：

（2）低壓母線。

I段低壓母線壓降（除本段“0”批次電機外其它電機均跳停）：

ust%（0低）=92.7%×23.83/（23.83+0.15+0.69）=89.7%

I段第一批啟動母線壓降：

ust%（1低）=90%×23.83/（23.83+0.24+5×X1×1.25）≥85%

其中X1為第一批啟動電機總容量，工藝要求一批次啟動電機總容量為150kVA，ust%（1低）=86%，若滿足壓降要求，X1≤188 kVA。

I段第二批啟動母線壓降：

ust%（2低）=95%×23.83/（23.83+0.32+5×X2×1.25）×100≥85%

其中X2為第二批啟動電機總容量，工藝要求二批次啟動電機總容量為132kVA，ust%（2低）=91%，若滿足壓降要求，X1≤400 kVA。

ust%（3低）=95%×23.83/（23.83+0.32+5×X3×1.25）×100≥85%

其中X3為第三批啟動電機總容量，工藝要求三批次啟動電機總容量為0kVA，ust%（3低）=94.4%，若滿足壓降要求，X1≤450 kVA。

根據以上計算，將計算最大啟動容量與工藝要求啟動容量數據共同列于表4，比便于比較。

表4 I 段計算最大啟動容量與工藝要求啟動容量對比

根據工藝要求啟動容量，核算分批次啟動過程中的啟動電流，均躲過進線電流過流值，如表5。

表5 中低壓各批次最大啟動電流

4 計算結果與Digsilent 仿真模型數據對比

為驗證3.2結果正確性，根據工藝要求啟動負荷容量進行Digsilent仿真。

在系統電壓為1.05倍額定電壓情況下，6kV及0.4kV I段母線電壓波動情況如圖4。發現利用電壓電流鉗制法計算結果和Digsilent仿真結果存在一定誤差，見表6。主要原因如下：

表6 計算結果和仿真結果比較

圖4 分批啟動中低壓I段電壓波動

（1）“0”批次，計算值高于仿真值，在于計算值僅考慮故障后機組啟動引起壓降，而仿真值為帶三相故障模擬母線電壓壓降，故障下連續擾動，故障清除后母線電壓并未恢復到正常電壓，故障壓降苛刻于啟動壓降。

（2）1、2、3批次，計算值低于仿真值，在于計算值核算批次啟動時電壓初始值為前一批次壓降值，而不是實際電壓恢復值，啟動電壓條件較仿真模擬苛刻。

5 結束語

石化企業不僅要加強供電系統安全可靠管理，同時應考慮電機再啟動技術作為系統故障后最直接、有效的應急補救措施。電機分批再啟動科學計算分析尤為重要，很大程度上決定啟動方法和技術是否成功，采用電壓、電流鉗制法對電機分批再啟動進行核校計算，思路清晰，核校簡單，不失為一種高效的工程實用算法，為分批再啟動技術研究提供理論基礎，且有效提供了可操作的工程實踐，發揮其應有價值。